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    Linux-01-网络IO |  朱酱酱的学习博客
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<h1 class="article-title sea-center" style="border-left:0" itemprop="name">
  Linux-01-网络IO
</h1>
  

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      <a href="/2020/08/18/Linux/Linux-01-%E7%BD%91%E7%BB%9CIO/" class="article-date">
  <time datetime="2020-08-18T07:52:53.000Z" itemprop="datePublished">2020-08-18</time>
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      <h1 id="Linux-01-网络IO"><a href="#Linux-01-网络IO" class="headerlink" title="Linux-01-网络IO"></a>Linux-01-网络IO</h1><p>同步IO和异步IO，阻塞IO和非阻塞IO分别是什么，到底有什么区别？不同的人在不同的上下文下给出的答案是不同的。所以先限定一下本文的上下文。</p>
<a id="more"></a>

<h2 id="前言"><a href="#前言" class="headerlink" title="前言"></a>前言</h2><h3 id="1-用户空间与内核空间"><a href="#1-用户空间与内核空间" class="headerlink" title="1. 用户空间与内核空间"></a>1. 用户空间与内核空间</h3><ul>
<li>现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，<strong>它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）</strong>。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。</li>
<li><strong>针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址<code>0xC0000000</code>到<code>0xFFFFFFFF</code>），供内核使用，称为内核空间，</strong></li>
<li><strong>而将较低的3G字节（从虚拟地址<code>0x00000000</code>到<code>0xBFFFFFFF</code>），供各个进程使用，称为用户空间。</strong></li>
</ul>
<h3 id="2-进程切换"><a href="#2-进程切换" class="headerlink" title="2. 进程切换"></a>2. 进程切换</h3><ul>
<li><p>为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。</p>
<p>从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：</p>
<ol>
<li>保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。</li>
<li>更新PCB信息。</li>
<li>把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。</li>
<li>选择另一个进程执行，并更新其PCB。</li>
<li>更新内存管理的数据结构。</li>
<li>恢复处理机上下文。</li>
</ol>
</li>
</ul>
<h3 id="3-进程阻塞"><a href="#3-进程阻塞" class="headerlink" title="3. 进程阻塞"></a>3. 进程阻塞</h3><ul>
<li>正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。<code>当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的</code>。</li>
</ul>
<h3 id="4-文件描述符fd"><a href="#4-文件描述符fd" class="headerlink" title="4. 文件描述符fd"></a>4. 文件描述符fd</h3><ul>
<li>文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。</li>
<li><strong>文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值</strong>，指向<strong>内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表</strong>。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。</li>
</ul>
<h2 id="IO模式"><a href="#IO模式" class="headerlink" title="IO模式"></a>IO模式</h2><ul>
<li><p>刚才说了，对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：<br><strong>1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)</strong><br><strong>2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)</strong></p>
</li>
<li><p><strong>正式因为这两个阶段，linux系统产生了下面五种网络模式的方案。</strong><br><strong>- 阻塞 I/O（blocking IO）</strong><br><strong>- 非阻塞 I/O（nonblocking IO）</strong><br><strong>- I/O 多路复用（ IO multiplexing）</strong><br><strong>- 信号驱动 I/O（ signal driven IO）</strong><br><strong>- 异步 I/O（asynchronous IO）</strong></p>
</li>
</ul>
<p>注：由于signal driven IO在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种IO Model。</p>
<h3 id="1-阻塞-I-O（blocking-IO）"><a href="#1-阻塞-I-O（blocking-IO）" class="headerlink" title="1. 阻塞 I/O（blocking IO）"></a>1. 阻塞 I/O（blocking IO）</h3><ul>
<li>在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：</li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200818-162629646.png" alt="mark"></p>
<p>当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。</p>
<p>这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。</p>
<blockquote>
<p>所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。</p>
</blockquote>
<h3 id="2-非阻塞-I-O（nonblocking-IO）"><a href="#2-非阻塞-I-O（nonblocking-IO）" class="headerlink" title="2. 非阻塞 I/O（nonblocking IO）"></a>2. 非阻塞 I/O（nonblocking IO）</h3><ul>
<li>linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：</li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200818-163037584.png" alt="mark"></p>
<ul>
<li>当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。</li>
<li>从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。</li>
<li>用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。</li>
</ul>
<blockquote>
<p>所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要<strong>不断的主动询问</strong>kernel数据好了没有。</p>
</blockquote>
<h3 id="3-异步-I-O（asynchronous-IO）"><a href="#3-异步-I-O（asynchronous-IO）" class="headerlink" title="3. 异步 I/O（asynchronous IO）"></a>3. 异步 I/O（asynchronous IO）</h3><ul>
<li>Linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：</li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200818-164148525.png" alt="mark"></p>
<h3 id="4-I-O-多路复用（-IO-multiplexing）"><a href="#4-I-O-多路复用（-IO-multiplexing）" class="headerlink" title="4. I/O 多路复用（ IO multiplexing）"></a>4. I/O 多路复用（ IO multiplexing）</h3><ul>
<li><code>IO multiplexing</code>就是我们说的<code>select，poll，epoll</code>，有些地方也称这种IO方式为<code>event driven IO select/epoll</code>的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是<code>select，poll，epoll</code>这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。</li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200818-165609923.png" alt="mark"></p>
<ul>
<li><code>当用户进程调用了select，那么整个进程会被block</code>，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。</li>
</ul>
<ul>
<li><p>所以，I/O 多路复用的特点是<strong>通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符</strong>，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。</p>
</li>
<li><p>所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）</p>
</li>
<li><p>在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个<code>socket</code>，一般都设置成为<code>non-blocking</code>，但是，如上图所示，整个用户的<code>process</code>其实是一直被<code>block</code>的。只不过<code>process</code>是被<code>select</code>这个函数<code>block</code>，而不是被<code>socket IO</code>给<code>block</code>。</p>
</li>
</ul>
<h2 id="select-poll-epoll-详解"><a href="#select-poll-epoll-详解" class="headerlink" title="select poll epoll 详解"></a>select poll epoll 详解</h2><p><strong>总结的不错的博客:</strong> <a href="https://blog.csdn.net/jiange_zh/article/details/50811553" target="_blank" rel="noopener">https://blog.csdn.net/jiange_zh/article/details/50811553</a></p>
<p>(1)select==&gt;时间复杂度O(n)</p>
<ul>
<li>它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以<strong>select具有O(n)的无差别轮询复杂度</strong>，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。</li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200830/142733029.png" alt="mark"></p>
<p>(2)poll==&gt;时间复杂度O(n)</p>
<ul>
<li>poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， <strong>但是它没有最大连接数的限制</strong>，原因是它是基于链表来存储的.</li>
</ul>
<p>(3)epoll==&gt;时间复杂度O(1)</p>
<ul>
<li><strong>epoll可以理解为event poll</strong>，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是<strong>事件驱动（每个事件关联上fd）</strong>的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。<strong>（复杂度降低到了O(1)）</strong></li>
</ul>
<p><img src="http://zhuuu-bucket.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/20200830/142834510.png" alt="mark"></p>
<p>select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。<strong>但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的</strong>，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。 </p>
<p>epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现</p>
<p><strong>epoll的工作方式</strong></p>
<p>epoll的两种工作方式：<strong>1.水平触发（LT）2.边缘触发（ET）</strong> </p>
<p><strong>LT模式：</strong></p>
<ul>
<li>若就绪的事件一次没有处理完要做的事件，就会一直去处理。</li>
<li>即就会将没有处理完的事件继续放回到就绪队列之中（即那个内核中的链表），一直进行处理。 </li>
</ul>
<p><strong>ET模式：</strong></p>
<ul>
<li>就绪的事件只能处理一次，若没有处理完会在下次的其它事件就绪时再进行处理。</li>
<li>而若以后再也没有就绪的事件，那么剩余的那部分数据也会随之而丢失。 </li>
</ul>
<p>由此可见：ET模式的效率比LT模式的效率要高很多。只是如果使用ET模式，就要保证每次进行数据处理时，要将其处理完，不能造成数据丢失，这样对编写代码的人要求就比较高。<br>注意：ET模式只支持非阻塞的读写：为了保证数据的完整性。</p>
<p><strong>总结：</strong></p>
<p>（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll其实也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。</p>
<p>（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。</p>
<h2 id="总结"><a href="#总结" class="headerlink" title="总结"></a>总结</h2><h3 id="1-blocking和non-blocking的区别"><a href="#1-blocking和non-blocking的区别" class="headerlink" title="1. blocking和non-blocking的区别"></a>1. blocking和non-blocking的区别</h3><ul>
<li>调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。</li>
</ul>
<h3 id="2-synchronous-IO和asynchronous-IO的区别"><a href="#2-synchronous-IO和asynchronous-IO的区别" class="headerlink" title="2. synchronous IO和asynchronous IO的区别"></a>2. synchronous IO和asynchronous IO的区别</h3><ul>
<li>在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：<br>- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;<br>- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;</li>
</ul>
<p><strong>两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。</strong></p>
<ul>
<li><p>有人会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。<strong>但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。</strong></p>
</li>
<li><p>而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。</p>
</li>
</ul>

      
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        &copy;
        2019-2021
        Zhuuu
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  <i>PV:<span id="busuanzi_value_page_pv"></span></i>
  <i>UV:<span id="busuanzi_value_site_uv"></span></i>
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        <i class="ri-search-line"></i>
      </a>
      
      
      <a class="nav-item-link" target="_blank" href="/atom.xml" title="RSS Feed">
        <i class="ri-rss-line"></i>
      </a>
      
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<div class="search-form-wrap">
  <div class="local-search local-search-plugin">
  <input type="search" id="local-search-input" class="local-search-input" placeholder="Search...">
  <div id="local-search-result" class="local-search-result"></div>
</div>
</div>
      </aside>
      <div id="mask"></div>

<!-- #reward -->
<div id="reward">
  <span class="close"><i class="ri-close-line"></i></span>
  <p class="reward-p"><i class="ri-cup-line"></i>请我喝杯咖啡吧~</p>
  <div class="reward-box">
    
    <div class="reward-item">
      <img class="reward-img" src="/images/alipay.jpg">
      <span class="reward-type">支付宝</span>
    </div>
    
    
    <div class="reward-item">
      <img class="reward-img" src="/images/wechat.jpg">
      <span class="reward-type">微信</span>
    </div>
    
  </div>
</div>
      
<script src="/js/jquery-2.0.3.min.js"></script>


<script src="/js/jquery.justifiedGallery.min.js"></script>


<script src="/js/lazyload.min.js"></script>


<script src="/js/busuanzi-2.3.pure.min.js"></script>


<script src="/js/share.js"></script>



<script src="/fancybox/jquery.fancybox.min.js"></script>




<script>
  try {
    var typed = new Typed("#subtitle", {
    strings: ['昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路','衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。','众里寻他千百度。蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。'],
    startDelay: 0,
    typeSpeed: 200,
    loop: true,
    backSpeed: 100,
    showCursor: true
    });
  } catch (err) {
  }
  
</script>




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<script>
  // Tocbot_v4.7.0  http://tscanlin.github.io/tocbot/
  tocbot.init({
    tocSelector: '.tocbot',
    contentSelector: '.article-entry',
    headingSelector: 'h1, h2, h3, h4, h5, h6',
    hasInnerContainers: true,
    scrollSmooth: true,
    scrollContainer:'main',
    positionFixedSelector: '.tocbot',
    positionFixedClass: 'is-position-fixed',
    fixedSidebarOffset: 'auto',
    onClick: (e) => {
      $('.toc-link').removeClass('is-active-link');
      $(`a[href=${e.target.hash}]`).addClass('is-active-link');
      $(e.target.hash).scrollIntoView();
      return false;
    }
  });
</script>


<script>
  var ayerConfig = {
    mathjax: true
  }
</script>


<script src="/js/ayer.js"></script>


<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/jquery-modal@0.9.2/jquery.modal.min.js"></script>
<link rel="stylesheet" href="https://cdn.jsdelivr.net/npm/jquery-modal@0.9.2/jquery.modal.min.css">


<!-- Root element of PhotoSwipe. Must have class pswp. -->
<div class="pswp" tabindex="-1" role="dialog" aria-hidden="true">

    <!-- Background of PhotoSwipe. 
         It's a separate element as animating opacity is faster than rgba(). -->
    <div class="pswp__bg"></div>

    <!-- Slides wrapper with overflow:hidden. -->
    <div class="pswp__scroll-wrap">

        <!-- Container that holds slides. 
            PhotoSwipe keeps only 3 of them in the DOM to save memory.
            Don't modify these 3 pswp__item elements, data is added later on. -->
        <div class="pswp__container">
            <div class="pswp__item"></div>
            <div class="pswp__item"></div>
            <div class="pswp__item"></div>
        </div>

        <!-- Default (PhotoSwipeUI_Default) interface on top of sliding area. Can be changed. -->
        <div class="pswp__ui pswp__ui--hidden">

            <div class="pswp__top-bar">

                <!--  Controls are self-explanatory. Order can be changed. -->

                <div class="pswp__counter"></div>

                <button class="pswp__button pswp__button--close" title="Close (Esc)"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--share" style="display:none" title="Share"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--fs" title="Toggle fullscreen"></button>

                <button class="pswp__button pswp__button--zoom" title="Zoom in/out"></button>

                <!-- Preloader demo http://codepen.io/dimsemenov/pen/yyBWoR -->
                <!-- element will get class pswp__preloader--active when preloader is running -->
                <div class="pswp__preloader">
                    <div class="pswp__preloader__icn">
                        <div class="pswp__preloader__cut">
                            <div class="pswp__preloader__donut"></div>
                        </div>
                    </div>
                </div>
            </div>

            <div class="pswp__share-modal pswp__share-modal--hidden pswp__single-tap">
                <div class="pswp__share-tooltip"></div>
            </div>

            <button class="pswp__button pswp__button--arrow--left" title="Previous (arrow left)">
            </button>

            <button class="pswp__button pswp__button--arrow--right" title="Next (arrow right)">
            </button>

            <div class="pswp__caption">
                <div class="pswp__caption__center"></div>
            </div>

        </div>

    </div>

</div>

<link rel="stylesheet" href="https://cdn.jsdelivr.net/npm/photoswipe@4.1.3/dist/photoswipe.min.css">
<link rel="stylesheet" href="https://cdn.jsdelivr.net/npm/photoswipe@4.1.3/dist/default-skin/default-skin.css">
<script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/photoswipe@4.1.3/dist/photoswipe.min.js"></script>
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<script>
    function viewer_init() {
        let pswpElement = document.querySelectorAll('.pswp')[0];
        let $imgArr = document.querySelectorAll(('.article-entry img:not(.reward-img)'))

        $imgArr.forEach(($em, i) => {
            $em.onclick = () => {
                // slider展开状态
                // todo: 这样不好，后面改成状态
                if (document.querySelector('.left-col.show')) return
                let items = []
                $imgArr.forEach(($em2, i2) => {
                    let img = $em2.getAttribute('data-idx', i2)
                    let src = $em2.getAttribute('data-target') || $em2.getAttribute('src')
                    let title = $em2.getAttribute('alt')
                    // 获得原图尺寸
                    const image = new Image()
                    image.src = src
                    items.push({
                        src: src,
                        w: image.width || $em2.width,
                        h: image.height || $em2.height,
                        title: title
                    })
                })
                var gallery = new PhotoSwipe(pswpElement, PhotoSwipeUI_Default, items, {
                    index: parseInt(i)
                });
                gallery.init()
            }
        })
    }
    viewer_init()
</script>



<script type="text/x-mathjax-config">
  MathJax.Hub.Config({
      tex2jax: {
          inlineMath: [ ['$','$'], ["\\(","\\)"]  ],
          processEscapes: true,
          skipTags: ['script', 'noscript', 'style', 'textarea', 'pre', 'code']
      }
  });

  MathJax.Hub.Queue(function() {
      var all = MathJax.Hub.getAllJax(), i;
      for(i=0; i < all.length; i += 1) {
          all[i].SourceElement().parentNode.className += ' has-jax';
      }
  });
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